兴凯湖百余年营养演化历史及营养物基准

李亮芳，李春华，叶 春，初元满，李秀宇，张钰珮，冼汉标, ，谢自建，魏伟伟， 董旭辉, *

1. 广州大学 地理科学与遥感学院，广州 510006

2. 中国环境科学研究院 湖泊水污染治理与生态修复技术国家工程实验室 国家环境保护湖泊污染控制重点实验室，北京 100012

3.鸡西市生态环境局，鸡西 158100

4. 生态环境部环境工程评估中心，北京 100012

5. 广州大学气候与环境变化研究中心，广州 510006

湖泊生态系统是陆地生态系统重要组成部分，其健康与安全对社会经济发展、人类繁衍生息等方面起着重要保障作用（王苏民和窦鸿身，1998）。然而伴随着社会经济发展，湖泊污染和富营养化逐渐成为了当今世界普遍关注的生态安全问题。例如：近年来我国长江经济带93%的湖泊达到了富营养化水平，平均水质处于Ⅳ类和Ⅴ类之间，严重危及流域内的社会发展（羊向东等，2020a）。近些年来，尽管我国各级政府逐步意识到生态安全的重要性，加大了解决湖泊污染和富营养化问题的力度，湖泊生态系统尚未见根本性好转，恶化情况反复不绝，湖泊管理者也愈来愈意识到，水体历史环境演化过程，包括发生富营养化的时间、驱动因素等背景信息，特别是湖泊营养物基准的确立，对富营养化湖泊的治理意义重大（Battarbee et al，2005；羊向东等，2020a）。

认识湖泊水体的演化历史往往需要借助长期的湖泊环境数据序列。在缺乏监测记录的情况下，湖泊沉积物中的大量生物、理化信息，可用于重建湖泊及其流域生态环境演变历史，从而为湖泊治理提供依据（沈吉，2009；羊向东等，2020b）。其中硅藻是使用最为广泛的一种指标，它是水生态系统初级生产力的重要组成部分，对水体环境指标如营养盐、pH值、盐度等变化响应敏感。特定的水环境存在着特定的硅藻群落，而一定群落特征的硅藻组合也指示着特定的环境特征（Stoermer and Smol，2010）。基于此硅藻群落 — 水环境特征的映射关系，可以应用硅藻群落的演化特征来定性或定量重建（例如相似匹配的方法 —— Analogue Matching，Simpson et al，2005），评估各种水体历史时期的环境特征（Birks and John，2012）。例如：欧盟水框架委员会指定硅藻作为一种必备的用于水环境评估的生物指标，将不同的硅藻群落构成与基准状态下的群落构成进行对比（计算生态距离），即可评估水体环境偏离自然背景环境的程度（European Community，2000）。其余的多项沉积物指标，例如化学元素Pb、Zn、Cd、Cu等可提供湖泊的重金属污染信息，而沉积物总磷（TP）浓度在一定程度上（存在迁移趋势，但在非草型湖、风浪扰动大的湖泊中）提供了一种水体营养水平的间接指标（Liu et al，2007）。这些指标的综合集成对比，可以揭示水体富营养化过程及驱动要素（Bennion et al，2015），还可以用于确定人类活动较少时期的水体营养状态信息，可为具体湖泊的营养控制提供治理的参照目标，即基准环境（Bennion et al，2011）。

湖泊营养物基准值是指营养物对湖泊产生的生态效应不危及其生存水体功能或用途的最大可接受浓度或限值（Bennion et al，2011）。有关湖泊营养物基准的建立，国外早在20世纪80年代末就开始了研究工作。例如：美国率先在1998年制订了区域营养物基准国家战略，完成了湖泊、河流、河口海岸和湿地的营养物基准技术指南（EPA，1998）；欧洲于2000年也开始了对营养物基准的研究，并发布了水法《水框架指南》（WFD）（European Community，2000）；国外大量学者在研究营养物基准的过程中，逐步形成了统计分析法、压力 — 响应模型、模型推断法、古湖沼学法等多种研究方案（霍守亮等，2017）。相比国外，国内学者对湖泊营养物基准研究的起步时间较晚，但也取得了丰富成果。例如：李小平等（2012）运用古湖沼学方法，对上海市郊淀山湖不同湖区进行钻孔分析，再根据多个沉积柱对比研究及重建的硅藻 — 水体TP浓度结果，提出治理淀山湖的营养物基准水体TP值为55 μg · L-1；陈奇等（2010）采用TP、TN、叶绿素a、塞氏透明度四项指标的历史监测数据，结合若干统计学方法建立了巢湖营养物基准参照状态；张亚丽（2012）通过大量调查分析优选蒙新高原湖区营养物基准指标，研究矿化度作为蒙新高原湖区湖泊营养物基准影响指标的可行性，并运用湖泊群体分析法初步建立了该湖区营养物基准建议值；郭佳林等（2012）以结构方程模型（SEM）推测出的营养物基准候选值及文献确定的参照状态值为基础，再通过比较大型溞（Daphnia magna）的生长繁殖状况，初步确定了中东部湖区营养物基准值；揣小明等（2012）通过概率统计与Carlson模型相结合的方法，制定出呼伦湖、太湖和滇池TP基准参考值分别为80 μg · L-1、30 μg · L-1和60 μg · L-1。综上可见，近年来国内外有关湖泊营养物基准的研究工作有着重要进展。然而，完善营养物基准的制定，仍需要更多的区域、湖泊个体研究案例。

本研究选择东北亚大型浅水湖泊——兴凯湖，借助已有的水环境监测数据及多指标分析的古湖沼学方法，结合放射性测年结果，对湖内多个位置的钻孔进行物理、化学和生物多指标分析，重建了该湖百余年的环境演变过程；基于高分辨率的沉积硅藻群落分析，定量分析兴凯湖富营养化转变的时间点，以及富营养化转变前后生态环境响应特征，利用兴凯湖硅藻群落差异及参比元素的方法确立了水体及沉积物中主要营养元素的环境基准，为治理、维持兴凯湖及其流域良好的生态环境提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本研究区域地处黑龙江省鸡西市密山市境内，距离密山市区50 km，其范围西起白棱河口，北邻穆棱河，东北与鸡西市虎林市交界，东以松阿察河、南与俄罗斯相接。兴凯湖南北长95 km，东西宽约71 km。由于地壳构造陷落的缘故，形成了大、小兴凯湖，整体呈椭圆形、北宽南窄，两湖之间隔着一条长约90 km、宽约1 km的天然湖岗（陈利军等，2017）。大兴凯湖是一个跨国境湖，湖区总面积为4380 km2，平均水深4 m，最深处10 m；小兴凯湖湖区面积为145.5 km2，平均水深为1.8 m，最大水深3 m，全部属我国所有（胡富林，2006）（图1）。“兴凯”是满语，表意为水从高处来。兴凯湖湖床坡度很缓，地形大致为西南部高、东部低，多年平均径流量为68.7×108m3，水位年际和年内变幅不大，其水系是乌苏里江流域的组成部分。因为地处温带季风气候区，夏季降水量大，约占全年降水量的50% — 60%，河流补给以降水为主，湖泊水位明显地受入湖河流的水情控制（孙冬和孙晓俊，2006）。尽管早在1994年我国就批准设立了兴凯湖国家自然保护区，且中俄两国在1996年也签署了《关于兴凯湖自然保护区协定》，但近些年来兴凯湖流域内开发力度增强，农场增多，耕地面积加大，水环境受到了城市化、旅游业发展，特别是工农业生产污水排放的影响，富营养化趋势增强，水域生态系统有退化风险（朴德雄和王凤昆，2011）。2010年与2011年兴凯湖水质监测数据显示（嵇晓燕等，2013；毛玉梅等，2013）：兴凯湖水体pH年均值在7.56 — 7.97，偏弱碱性，大兴凯湖TP浓度为70 — 80 μg · L-1，TN浓度为400 —500 μg · L-1，小兴凯湖TP浓度为80 — 90 μg · L-1，TN浓度为700 μg · L-1左右。

1.2 样品采集及实验室分析

如图1所示，2021年5月下旬，分别在小兴凯湖湖心东侧（45°18′36″ N，132°40′48″ E）、大兴凯湖湖心附近（45°14′24″ N，132°17′24″ E）及与俄罗斯交界附近（45°05′24″ N，132°42′00″E），利用重力采样器进行柱状沉积岩心的提取，岩心名称相应标记为XK03、XK05和XK07。现场对所得到的3根柱状沉积物按照1 cm间隔进行分样，所得样品置于4℃冰箱中冷藏带回实验室。

图1 兴凯湖区域概况Fig. 1 Overview of Xingkai Lake region

根据沉积柱的岩心特征及沉积速率预估，对各沉积柱的上部进行不同的指标分析（如XK03孔的上部30 cm，XK05孔的上部40 cm，XK07孔的上部14 cm），测试间距均为2 cm。本研究以XK03孔为主要测试岩心进行详细的年代测定，年代放射性元素210Pb和137Cs活度用高纯锗井型探测器（HPGe GWL-120-15）测定（Appleby，2002）；鉴于百余年时间尺度下的沉积速率具有非恒定性和沉积物的压实作用，故采取恒定放射性通量模式（CRS）来计算湖泊底泥的沉积速率；烧失量（LOI）通过把样品放入马弗炉中，于550℃的高温下灼烧4 h测得；地球化学元素（包括K、Al、Na、P、Ca、Fe、Mg、Zn、V、Ti、Ba、Be、Sr、Cr、As、Ni、Sb、Mo、Cu及Tl等24种元素）含量采用美国Leeman Labs Profile电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）测定 ；频率磁化率（χfd）采用捷克AGICO公司生产的MFK1系列卡帕桥磁化率仪测得高频磁化率、低频磁化率后经计算两者差异百分比所得，仪器工作条件低频为976 Hz，高频为15616 Hz。硅藻用盐酸和双氧水对沉积物样品处理后制片鉴定（Battarbee，1984），属种鉴定主要以Krammer & Lange-Bertalot分类系统为标准（Krammer and Lange-Bertalot，1999），同时参考兴凯湖流域已有的硅藻属种图版（葛蕾，2014），每片沉积物样品至少鉴定出300个硅藻以上，硅藻属种丰富度用百分比表示。

1.3 水质数据及流域资料的搜集

本研究区位于我国黑龙江省鸡西市，故选取鸡西市国民生产总值（GDP）、人口和耕地面积等指标来反映流域人口和社会经济发展状况，数据来源于《2020年鸡西市统计年鉴》（鸡西市统计局和国家统计局鸡西调查队，2020）和《1949 — 2009龙江六十年》（李玉涛，2009）。流域气候参数来自鸡西市气象观测站 —— 虎林站的年均气温、降水量和风速数据，部分气象数据来源于国家气象信息中心网（http://data.cma.cn），年均降水量获取于廖东霞等（2021）的研究成果。如图2所示：GDP在2000年后整体呈现快速增加的态势；除去个别异常年份，人口数量自20世纪50年代至2000年，增长速度由快变慢，2000年后人口数量持续降低，总体上该地区人口密度偏低；耕地面积前50 a增长缓慢，近20多年增长加速；年均气温呈波动升高趋势；年均降水量波动起伏性较大，但整体趋势较为稳定；年均风速呈逐年减少趋势。兴凯湖的水质监测数据较少，最早的纪录来源于黑龙江省鸡西市环境监测站，监测结果取自1994 — 1998年，大兴凯湖CODMn为5.42 mg · L-1，BOD5为1.59 —2.91 mg · L-1，TP为35 μg · L-1（朴德雄和王凤昆，2011）。

图2 20世纪50年代以来兴凯湖流域经济和气候指标变化Fig. 2 Changes of economic and climate indices in Xingkai Lake Basin since 1950s

1.4 兴凯湖基准环境的确立

欧美国家通常将基准环境的时间设定在工业革命和欧洲移民之前，即1850年左右（Bennion et al，2011）。在我国，工业革命开始的较晚，但由于长期的农业活动，湖泊生态系统在漫长的历史中也受到了不同程度的影响。尽管如此，基于治理目标的现实性及可操作性，我国湖泊的基准状况时间通常选择在19世纪50年代左右（李小平等，2012；Dong et al，2016），甚至更晚的20世纪50年代（董旭辉和羊向东，2012）。本文选择以XK03岩心为代表的1850年前生态环境为基准环境，则1850年前后的硅藻属种组合可作为生态群落基准，当时的水环境状况（如水体TP、TN及沉积物磷）作为水环境治理的理化基准。

历史水体环境的定量重建基于相似匹配（analogue matching）的方法，即通过对比生物群落差异来确定环境要素的相对差异（Overpeck et al，1985；Simpson et al，2005），该方法的优势在于可以避免多驱动要素的共线性干扰而被广泛地应用于过去环境重建，例如：基于孢粉群落差异可同时重建温度和降水的历史值，可弱化两者间（或与其他潜在环境要素）的共线性关系（Birks and John，2012）。生物群落的差异利用弦距（squared chord distance，SCD）来计算历史时期硅藻群落演替偏离基准的大小，弦距范围0 — 2分别代表了两个完全一样（SCD = 0）或完全不同的属种组合（SCD = 2）（Overpeck et al，1985）。弦距计算公式如下：

其中：dij为弦距，pik、pjk分别是第i、j个样品种属k的百分含量。具体计算过程在Excel 2016中进行。

兴凯湖底泥沉积物TP基准通过参比元素的回归分析来确定。湖泊沉积物中的元素会受土壤母质、流域侵蚀、沉积速率、沉积物构成如粒度、有机质等条件的影响，这些影响通常可采用自然来源的参比元素如Al、Fe、Ti、Ca和Li等进行矫正（Soto-Jiménez and Páez-Osuna，2001；Bing et al，2016）。本研究中，由于Fe元素分别与3根沉积柱的沉积物TP有最佳的相关性，因此Fe被用作参比元素。通过建立参比元素Fe与沉积物TP浓度间的线性回归关系（公式(2)），即同参比元素百分含量拟合较好的沉积物TP浓度，说明这些沉积物TP是来源于受外界干扰程度相对较低的样品。因此可将这些样品的沉积物TP浓度（BTP）均值作为其自然背景下沉积物TP的基准值（Teng et al，2009），回归公式为：

其中：a和b为P＜0.01和R2＞0.9条件下的 线性回归常数，CFe为参比元素浓度值。

2 结果

2.1 沉积年代的确定

自然放射性核素210Pb（半衰期为22.3 a）在沉积物中随时间发生衰变递减，根据沉积物中210Pb比活度随深度变化曲线的拟合方程，结合210Pb衰变常数，可以计算出不同深度沉积物经历的埋藏时间，从而建立年代与深度的对应关系。图3所示兴凯湖柱状沉积物样品210Pbex活度、137Cs活度、湖泊底泥沉积速率以及依据210Pbex、137Cs活度测试情况而确定的年代序列。137Cs活度数据显示XK03沉积物在9 cm处出现峰值，此处大约对应于1959年。通过CRS模式计算XK03沉积岩心24 cm所处的年代是1806年。XK03沉积岩心1850年以后的沉积速率（sediment accumulation rate，SAR）相比之前呈增大趋势，平均沉积速率为0.174 g · (cm2· a)-1。据此平均沉积速率计算，XK05沉积岩心底部20 cm处的年代早于1900年。

图3 XK03岩心沉积物210Pb 活度、 137Cs 比活度、年代 — 深度对应及沉积速率Fig. 3 The 210Pb activity, 137Cs specific activity, age — depth relationship and sediment accumulation rate (SAR) of XK03 core

2.2 硅藻属种组合

对兴凯湖XK03及XK05孔（分别代表小、大兴凯湖）进行硅藻鉴定，检出硅藻共30属37个种（亚种），主要为浮游和底栖类型，附生类型较少。据鉴定结果可知：XK03柱、XK05柱硅藻属种变化基本相同，主要的优势种都是颗粒直链藻（Aulacoseira granulata）（图4）。在XK03柱对应的2000年和XK05柱对应的2005年前后，颗粒直链藻的含量和硅藻属种组合发生了较大改变。硅藻组合带Ⅰ：20世纪末以前，硅藻属种类型较少，颗粒直链藻是绝对的优势种，直到钻孔底部，都占每层样品硅藻总含量的近90%或以上，偶尔伴有低营养的附生种Eunotiasp.、Fragilariasp.、Fragilaria construens、Gyrosigma strigilis和Nitzschiasp.等，含量比较低（＜5%）。硅藻组合带Ⅱ：21世纪以来，颗粒直链藻含量下降明显，逐年降低到45%左右，与此同时硅藻属种类型开始增多，特别是富营养属种Aulacoseira alpigena、Cyclostephanos dubius、Cyclotella meneghiniana、Fragilariasp.和Gomphonema等，其 中Cyclostephanos dubius含量增加最明显，XK03柱中超过10%，XK05柱中则接近40%。

以XK03岩心的1850年前样品中硅藻属种组合百分比取平均值作为生态基准，利用弦距分别计算XK03和XK05岩心历史时期硅藻群落演替偏离基准（SCD）的大小（图4）。可以看出：无 论 是XK03岩 心 还 是XK05岩 心，在20世纪末以前，硅藻群落演替较为稳定，几乎与1850年以前的硅藻属种组合相当（SCD范围0.00014 — 0.00051），说明兴凯湖及其流域生态环境在20世纪末以前相对良好，生物群落未发生重大变化；然而自21世纪以来，硅藻群落演替明显偏离基准环境，富营养属种在硅藻组合中所占比例增大，特别是大兴凯湖，其生态环境偏离基准环境更大（SCD达0.27），说明近20 a内兴凯湖营养水平上升显著，流域内的人类活动干扰日益增强，外源污染物入湖量增多（朴德雄和王凤昆，2011），表明兴凯湖具有向富营养化状态转变的趋势。

2.3 多指标分析

图5显示了兴凯湖XK03孔近200 a来沉积指标TP、Pb、Fe、Fe / Mn比值、烧失量、磁化率和沉积速率（SAR）的综合对比结果。Pb、Fe总体呈现明显的上升趋势；沉积物TP增加显著，从1850年 前 的300 mg · kg-1增 加 到 目 前 的600 mg · kg-1左 右，Fe / Mn比 值 在1900年 前 相 对稳定，此后呈下降趋势，顶部达最低值；频率磁化率整体在减小，近20 a来减少速度略有加快；LOI在1980年前保持相对稳定，此后逐年增大；SAR总体呈现增大的趋势，在20世纪60年代前后发生一次重大转折，降至低值但此后仍持续缓慢升高。由此可知，自1850年以来，特别是21世纪以来，兴凯湖有机物质含量增加，水体平均含氧量下降，重金属污染显现，表明兴凯湖正趋于营养富集。

图5 兴凯湖（XK03岩心）沉积物多指标分析结果Fig. 5 Multi-index of sediment core XK03 in Xingkai Lake

2.4 兴凯湖水体TP基准的制定

根据相似匹配重建原理，相似硅藻属种组合具备相似的环境特征。旋距计算结果揭示：兴凯湖1994 — 1998年的硅藻属种组合与1850年以前的几乎一致，具有高度相似性（SCD＜0.0005，图3和图4），说明在20世纪末以前的1994 — 1998年兴凯湖生态环境状况与基准环境相差甚微，故可根据1994 — 1998年的兴凯湖水体TP监测值（朴德雄和王凤昆，2011）的平均水平（TP：35 μg · L-1，TN：970 μg · L-1）建立兴凯湖的水体营养基准。

图4 兴凯湖沉积柱XK03、XK05硅藻种群演替和种群相似性（弦距）比较结果Fig. 4 Diatom succession in core XK03 & XK05 and community similarity (SCD) comparison results in Xingkai Lake

2.5 兴凯湖沉积物TP基准的确定

利用参比元素Fe可分别与XK03、XK05和XK07柱（考虑到后两根沉积柱均采自大兴凯湖，所以将其合并扩大样品容量）沉积物TP的参比元素进行回归分析。回归分析结果如图6b、6c所示，选取每根柱子沉积物TP与参考元素拟合度（R2＞0.9）较好的点进行平均计算，得到大小兴凯湖柱沉积物TP的基准分别为360 mg · kg-1和500 mg · kg-1。对比各沉积柱底部样品（对应于20世纪50年代或19世纪50年代以前的环境）沉积物TP的平均浓度较为相符（图6a）。

图6 3根沉积柱TP含量及与参比元素（Fe）回归分析结果Fig. 6 Historical sediment TP concentration and linear regression between sediment TP and reference elements (Fe)in sediment cores

3 讨论

3.1 兴凯湖近二百余年环境演化

本研究以采集的3根沉积岩心进行对比分析，诸多沉积物指标均呈现出相似的变化趋势，预示着小兴凯湖与大兴凯湖受到共同的驱动要素的影响。尽管存在响应幅度、时间先后等细节上的一些差异，但总体上仍有较好的环境演变同步性。

硅藻群落的弦距计算结果揭示了该湖历史上在相当长的时期内生态系统保持稳定。在20世纪末之前的百余年时间里（1800 — 1998年），该湖底泥沉积速率整体呈现增大的趋势（图3和图5），暗示了湖泊淤积较快。由兴凯湖流域内地形及水文特征可知，兴凯湖处于地势较低处，其湖面开阔，水源来自穆棱河等多条水流量较大的河流。据《鸡西市志》与《密山县志》记载，在清朝政府对鸡西市实施封禁政策200 a后的1880年，逐步开发包括鸡西市在内的边境地区，吸引了众多劳动人口，人类耕地活动愈来愈强（鸡西市地方志编纂委员会，1996），兴凯湖所处的密山县，开垦面积从1912年的362.65 km2上升到1928年的442.1 km2，人均耕地达0.009 km2，可见土地开垦力度之大自古有之（密山县志编纂委员会，1993），这势必加重当地的水土流失，导致松动的土壤等颗粒物质逐渐增加并随着河流汇入湖内逐渐沉积（孙冬和孙晓俊，2006；于淑玲等，2016；陈利军等，2017）。值得注意的是，沉积速率在1959 — 1963年的变化较为特殊，其从1959年的峰值突然降低，这恰好对应国家20世纪60年代的“三年困难时期”，可能是自然灾害频发、气候较为干旱、河水流量较低以及农产量急速下降、农民耕作积极性受挫的原因（鸡西市地方志编纂委员会，1996），致使随河流入湖土壤颗粒、岩石碎屑等物质减少。该阶段湖泊中的硅藻属种组合无明显演替特征，Aulacoseira granulata是优势属种，平均含量接近90%，伴有少量的低营养属种Gyrosigma strigilis和富营养属种Cyclostephanos dubius，表明了该湖流域内环境变化不大，保持着与基准环境相似的生态状况。Aulacoseira granulata一般生活在中—富营养水体之中，其硅化程度比较高，偏好扰动强烈的水体（Liu et al，2012）。兴凯湖属大型浅水湖泊，水体易受风浪影响，此时流域内年均风速较大，因此出现大量的Aulacoseira granulata属种是正常的，说明湖泊水动力可能较强。此外，兴凯湖自古以来是东北亚迁徙水鸟重要的“休憩廊道”，具有比较强的生物多样性，有着“三江平原基因库”的美誉（刘化金等，2020），也证实了此阶段该湖流域内农田开垦度不高，人类活动干扰程度较低，具有良好的环境背景，这与湖泊沉积物TP、Pb等营养或重金属元素含量增加缓慢的情况相符。

自20世纪末以来（1999 — 2020年）该湖流域环境逐渐偏离基准环境，发生了显著变化，水体营养进一步富集。此时硅藻属种类型变得丰富，即中营养属种Aulacoseira granulata数量大幅下降，富营养属种Aulacoseira alpigena、Cyclostephanos dubius、Cyclotella meneghiniana等大量出现，特别是硅藻属种Cyclostephanos dubius数量增加明显，指示了兴凯湖营养水平升高的趋势。据近20多年来的地方资料记载，当地城市发展迅速，经济生产大幅上涨，流域内开垦的耕地面积快速扩大，表明工、农业得到了大力发展（图2）。工业的发展必会导致工业废水排放量增大，这与沉积物中Pb等重金属元素含量上升相吻合。而该阶段的沉积速率较1959年有所降低，表明兴凯湖自然保护区的保护效果初现。但是当地开垦种植的面积还在继续扩大（图2），水土流失仍然严重，大量肥沃的黑土随着农田废水排放入湖，加之化肥的使用加快了农田磷的流失，势必加重湖泊的富营养化，致使沉积物中TP等营养元素的快速增加。与此同时，年均气温逐年升高、年均降水量回升到600 mm及以上水平、年均风速逐年下降等气候因素变化显著，这对该湖流域环境的影响不可忽视，往往会与其他因素一起促使湖泊向更高富营养演化，比如湖泊水生植物过量繁殖、湖泊有机物含量增多等等（于丹等，1992；于淑玲等，2016），但其具体的驱动机制仍有待进一步分析。

兴凯湖过去200 a来的沉积记录体现出大湖生态系统往往具备较大的系统弹性。沉积物多指标揭示出在20世纪50年代前后，该湖流域及水体曾发生过较大的变化（图5）：流域土地利用进一步加强，入湖的营养盐及物质总量加大，污染物质如Pb等浓度显著高于历史时期，水体质量也有所下降（Fe / Mn比值降低表明水体缺氧状况有所上升（Liu et al，2012））。然而，硅藻群落却未体现出同步变化，直至20世纪末才发生较为显著的变化，生物群落体现出相当的弹性。这一变化特征与同处我国东部的大型湖泊——太湖非常相似，太湖在显著富营养化前，也是长期维持着以Aulacoseira granulata为主的硅藻群落（Dong et al，2008）。值得注意的是，硅藻群落分布较为单调，除Aulacoseira granulata外，其他属种分布数量较少。这一硅藻群落分布特征与位于兴凯湖附近的镜泊湖非常相近，硅藻群落也较为单调，属种分布数量亦较少（廖梦娜和李艳玲，2018）。据早期关于兴凯湖硅藻群落的研究结果（于丹等，1992；范亚文和胡征宇，2004；边归国等，2012；葛雷，2014）：兴凯湖流域硅藻历史上群落较为单调的原因可能是水生植物的生长繁殖以及湖水的浑浊度较高，湖中水生植物的生长繁殖会分泌化感物质，大量的化感物质会抑制硅藻群落的发育，尤其是富营养化的藻类。

3.2 兴凯湖营养物（TP）基准的建立

基于1850年基准环境的弦距计算结果可知：兴凯湖在20世纪末即在1998年以前的生态环境与基准环境具有高度相似性，1998年以前湖泊水体TP实际监测浓度的平均水平可作为兴凯湖的水体TP基准。该湖历史上的水环境监测数据不多，且主要集中于2000年后（图7），因此本研究采用朴德雄和王凤昆（2011）于1994 — 1998年的大小兴凯湖实际监测浓度平均值作为基准建立的参考。监测记录表明1994—1998年大小兴凯湖TP值分别为13 — 49 μg · L-1（均值35 μg · L-1）和13—71 μg · L-1，TN范 围 为87.6 — 2650 μg · L-1，均 值970 μg · L-1。监 测 记 录 还 表 明2016年 以 前大小兴凯湖同期水体TP浓度较为接近，但2016年后小兴凯湖水体TP整体低于大兴凯湖，在一定尺度上表明我国所辖水体相关的环保措施已收到显著成效。与此同时，水体TP浓度年内变化较大，例如2010年大小兴凯湖浮动变幅可达100 μg · L-1，但在历史时期大小兴凯湖的变幅较为一致（如2016年前），因此在历史时期特别是人为干扰相对弱的时期，大小兴凯湖水体环境会更为接近。因此，从最终的水环境治理目标来看，可以将大小兴凯湖的水体TP基准值均设置为该时期水环境监测的均值，即35 μg · L-1，作为共同的水体治理目标。该基准虽然比《湖泊营养物基准——中东部湖区》（征求意见稿）中最新提出的建议基准（29 μg · L-1）偏高，但是比刘丽娜（2019）设立的黑龙江省典型湖泊TP 59 μg · L-1的基准则更趋稳妥。

图7 兴凯湖水体总磷（TP）部分年代监测值及基准值Fig. 7 Monitoring records and the baseline of TP concentration in Xingkai Lake

大、小兴凯湖沉积物TP的基准存在较大差异，两者基准值分别为360 mg · kg-1和500 mg · kg-1。已有研究显示：未污染的沉积物中元素的含量主要受控于沉积物的粒度、矿物组成和环境条件等因素（Murray et al，1999），而这种效应可以根据自然沉积状态下，沉积物目标元素与参比元素具有较好的相关性，或目标元素与沉积物某一类参比元素具有较好的相关性，以消除沉积物成岩作用对元素含量的影响，同时也可以判定沉积物自然来源变化对元素含量的影响（Soto-Jiménez and Páez-Osuna，2001；Liu et al，2007）。本研究选择Fe作为参比元素，可以有效地筛选出自然来源为主的样品，进而确定TP的自然背景。过去百年来的沉积记录揭示：小兴凯湖沉积物TP的平均浓度值（XK03孔上部20 cm沉积物TP平均 值560 mg · kg-1）均 高 于 大 兴 凯 湖（XK05、XK07孔上部20 cm沉积物TP的平均值分别为417 mg · kg-1、318 mg · kg-1）。这 一 特 征 反 映 了兴凯湖沉积物磷的来源及迁移差异，靠近小兴凯湖周边陆源的物质来源丰富，可携带大量的营养盐入湖，同时因其迁移距离相对较小，沉积物吸附的磷大多未向水体释放，沉积物主要表现为营养物质的“汇”（Sondergaard et al，2001），因此其营养本底值较大兴凯湖高，这与我国其他地区如长江中下游地区湖泊相当，例如：淀山湖沉积物TP基准为550 mg · kg-1（李小平等，2012），湖南省大通湖为600 mg · kg-1（廖粤军等，2021）。显然，在营养更为贫瘠的历史时期，因为水体磷的缺乏，大小兴凯湖沉积物的磷浓度应该相差无几。因此，如果强调更高的治理目标，大小兴凯湖沉积物TP的基准值均可定在360 mg · kg-1。

4 结论

百余年来兴凯湖长期维持较为健康的生态环境状况，沉积硅藻群落无显著变化，仅在20世纪末以来人类活动干扰程度增强的背景下，硅藻属种从以Aulacoseira granulata为代表的中营养优势属种组合过渡到以Cyclostephanos dubius等为代表的富营养属种组合。兴凯湖从中营养水平过渡到轻富营养化，当地日益增强的人类活动是主导因子。从环境治理的可行性及必要性考虑，尽管长期以来小兴凯湖同期水体TP浓度高于大兴凯湖，但兴凯湖水体TP的基准值可设置为35 μg · L-1，作为共同的水体治理目标。对沉积物而言，大小兴凯湖因受到沉积物来源及迁移的影响，大小兴凯湖沉积物TP本底值分别设置为360 mg · kg-1、500 mg·kg-1。本研究工作从长期环境演化历史的角度为东北典型的大型浅水湖泊制定了相应的水土营养基准，可为该湖的治理提供重要的参考目标。